Металлы, которые всегда с тобой

Для того чтобы знать распространённость элемента, нужно вычислить среднее значение его содержания, допустим, в земной коре. Это же так очевидно! Увы, очевидное становится таковым далеко не всегда и не сразу. То, что было вполне ясно ещё 100 лет назад главному химику геологической службы США и куратору минералогического собрания Национального музея Франку Уиглсуорту Кларку, совершенно не воспринималось его коллегами.

Кларк затеял очень трудоёмкую, кропотливую и, по мнению многих, бесполезную работу, на которую ушло 40 лет. Есть время собирать материал и время его обобщать. Так вот, Кларк обобщил многочисленные данные о составе различных минералов, которые скрупулёзно до него получили другие исследователи. Четыре десятилетия жизни и горы статистических выкладок. Нужно было обработать результаты более чем 5000 анализов и, наконец, установить, что в составе земной коры преобладают 8 химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. И вот когда труд Кларка был завершён, стало очевидным уже для всех, что он совершил переворот в геохимии.

В 1923 году наш замечательный учёный, академик Александр Евгеньевич Ферсман предложил в честь Ф. Кларка назвать кларком числовую оценку среднего содержания элемента в земной коре или других природных образованиях. Позднее Ферсман сказал: «Только в самые последние годы выяснилось, что метод, предложенный американским химиком Кларком ещё в 1889 году, не только представляет одно из крупнейших завоеваний в совремённой геохимии, но и проливает свет на взаимоотношения между строением вещёства, с одной стороны, распределением элементов — с другой, и, наконец, с общим характером химических процессов во всем космосе, с третьей».

Кларк железа в земной коре равен 4,65 — это значит, что таково его среднее содержание в процентах. К этому стоит добавить, что по распространённости в земной коре железо занимает четвёртое место среди всех элементов и второе среди металлов после алюминия.

Теперь вернёмся к вопросу: чего на Земле больше, свинца или циркония? Судите сами: кларк циркония 0,017, а свинца 0,0016. Следовательно, циркония в земной коре содержится в 10 раз больше. И вообще, даже беглое знакомство с кларками вызывает удивление. Оказывается, мы не всегда правильно судим о распространённости химических элементов. Так, например, кларк титана в 100 раз больше кларка меди, а кларк редкостного на первый вгляд галлия более чем в 200 раз превышает кларк ртути. О чем это говорит? Только о привычке считать, что металлы встречаются в природе в виде руд или самородков. Короче говоря, мы привыкли к металлам концентрированным. Кларки же показывают, что химические элементы {а металлы не исключение) находятся в основном в состоянии рассеяния. Это особое состояние атомов ещё в начале нашего века выявил выдающийся естествоиспытатель совремённости Владимир Иванович Вернадский. По этому поводу он образно заметил, что в каждой пылинке отражается общий состав космоса.

В самом деле, не считая водорода и гелия, на долю которых приходится почти 99 % вещёства Вселенной (вспомним синтез гелия), в космических образованиях больше всего распространены практически те же элементы, что и на Земле: углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний и железо. Вселенская распространённость железа объясняется тем, что реакции термоядерного синтеза идут по энергетически выгодным путям образования не слишком лёгких и не очень тяжёлых, а как бы средних атомов, которые и в менделеевской таблице занимают средние клетки. Типичным представителем таких «середнячков» и является железо — элемент № 26.

Человек, которого нет

Случается, иные талантливые весельчаки пускают гулять по свету вымышленных людей, наделяя их такими реалиями, благодаря которым порой забываешь о том, что они, эти люди, никогда и не существовали вовсе. Так произошло с писателем Козьмой Прутковым, как известно, выдуманным в середине прошлого века молодыми русскими поэтами. Так случилось и с учёным Никола Бурбаки — автором многотомного трактата «Элементы математики». Своему рождению в 1939 году Бурбаки обязан группе французских математиков, решивших скрыться под таким псевдонимом.

Человек, о котором наш рассказ, тоже был придуман в начале 60-х годов нашего века, на сей раз группой медиков, однако не шутки ради, а вполне серьёзно. Человеку этому специально не дали ни имени, ни фамилии, а назвали его просто: Человек условный. Мы же полагаем, что, дабы не нарушать традиции, принятой в биологии и медицине, его можно было бы назвать по-латыни Гомо Кондитионалис (человек условный) по аналогии с Гомо Сапиенс (человек разумный), как обозначил человека в своёй классификации великий натуралист Карл Линней.

Более 10 лет понадобилось группе экспертов из разных стран, чтобы обобщить все имеющиеся в мировой науке данные об анатомических особенностях человеческого тела, физиологических процессах организма и его химическом составе. В результате получился средний человек, среднего роста — 170 см, весящий 70 кг. Любопытным в этом деле оказалось то, что медикам, как в своё время и геохимикам, понадобились именно средние данные всех без исключения параметров человеческого организма.

В числе прочих были вычислены средние данные содержания химических элементов в теле условного человека. Ну чем не кларки! Тем более что в организме элементы тоже находятся в состоянии рассеяния. Так вот, если сравнить эти человеческие кларки (да простят нам медики эту вольность) с геохимическими, то мы увидим, что в нашем организме содержатся почти те же элементы, которые наиболее распространены и в космосе, и в земной коре: кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий, магний, кремний и железо.

Кулинария жизни

Итак, природа построила живые существа из простых и самых распространённых химических элементов. Но при всем при том мы не железные и вообще не металлические. Человеческий кларк железа составляет всего лишь 0,006, тогда как кислорода — 61, углерода — 23, водорода — 10.

И кислород, и углерод, и водород находятся в двух первых периодах таблицы Менделеева, следовательно, атомы этих элементов имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей. А углерод к тому же образует длинные полипептидные цепи, из которых, как мы знаем, состоят белки. Однако в вареве жизни, помимо этих трёх важнейших компонентов, необходимы и приправы из других элементов: азота, серы, фосфора и некоторых металлов.

Мы не случайно обратились к кулинарной аналогии. Сегодня даже самые строгие научные мужи так и говорят: «жизнь зародилась в теплом питательном бульоне».

При этом имеются в виду в полном смысле тепличные условия, которые существовали на нашей планете до появления первых живых существ. Эту эпоху обычно называют предбиологической.

В первобытных лужах, как жиринки в бульоне, плавали капли органических образований, из которых, как предполагают, и произошло все живое. Но у природы, варящей свой бульон, и у повара, готовящего это блюдо, задачи совершенно разные. У первой — создать белковые вещёства, у второго — их разрушать. Поэтому кипящее варево для создания бедка не годится: при температуре более 50° он уже начинает свёртываться. Не перестаёшь удивляться, как нам повезло с нашей планетой. Ведь на ней сложились поистине идеальные условия для существования живых организмов! И кто знает, может быть, наше стремление к югу и тёплому морю есть неосознанная тяга к условиям первобытной купели? Недаром считают, что именно в мелководных, хорошо прогреваемых солнцем морских лагунах и возникла жизнь.

Первоначальная предбиологическая задача, стоявшая перед природой, была внешне проста: в обычных условиях создать соединения наиболее распространённых атомов — молекулы, способные к дальнейшему усложнению. Усложнение же под действием различных факторов приве-. ло в конце концов к образованию гигантских молекул белка.